高频电液振动台用台面的性能分析及优化设计

岳小云

摘   要：振动台是测定材料、零件等性能及缺陷的仪器，是研究新材料、新工艺等领域的重要测试仪器，广泛应用于机械、冶金、化工、建筑等领域。振动台面是连接试件和活塞轴的关键零件，其性能严重影响振动台的参数。文章通过对其台面进行分析，提出改进举措。

关键词：振动台;台面;有限元分析;频率

20世纪60年代，振动台在我国面世。按激振方式可分为：机械式振动台、电液式振动台、电动式振动台。按功能可分为：单自由度、多自由度两类。按功能可分为：单一正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台。机械式振动台结构复杂不易于同计算机进行自动编程，一旦制造完成，将无法按照具体工作要求进行更改，实际应用受到限制。电液式振动台作用力大，适应能力较强，配合计算机能任意改变试验波形，便于自动化控制。电动式振动台波形种类较为单一。本文以电液振动台作为研究对象。

1    电液试验台工作原理

电液试验台由2D阀、激振缸、台座、驱动装置、控制器等组成。2D阀驱动装置受控于PC工控机频率控制器及幅值控制器的命令信号。2D螺旋伺服阀通过控制液压马达的流量，输出对应扭矩带动2D阀阀芯旋转，以此达到控制振动台的工作频率。幅值信号通过控制电机输出端偏心轮驱动2D阀阀芯轴向运动，实现振幅控制[1]。

2    电液振动台特点

（1）静压轴承选用复合塑料结构。该轴承摩擦系数极小，能够承受大的偏载，由于摩擦系数小，可在高速、高频振动的工况下长时间运行。

（2）选用大径活塞杆，强度高、抗弯能力优越。

（3）缸筒壁厚较大，横向刚度性能好。

（4）传感器可采取内置或外置模式。

3    高频电液振动台台面

3.1  高频电液振动台台面设计原则

高频电液振动台台面主要功能是连接试件和活塞轴，其性能对振动台参数影响较大。台面的功能及设计要求主要有以下几点：（1）台面具有足够的强度，能将被测试件与振动台可靠连接。（2）台面传导性能优良，能均匀的船体激振特性至测试件。

实现以上功能，设计时必须全面考虑台面设计参数。台面均匀传导，需要台面的固有频率远高于振动台的工作频率，避免频率接近发生共振现象。台面的重量与振动台的出力成正比，台面重量越大，而振动台的功率一定，对试件的出力会缩减。因此，设计台面时必须注重质量优化设计[2]。

通常台面的设计主要采用类比设计方式。虽然在实际工作中能够达到使用要求，但是未对台面进行分析，未进行优化设计，从而造成振动台资源浪费[3]。为此，本研究决定对台面进行分析、计算、仿真，在此基础上提出改进方案，实现台面优化设计。

3.2  有限元计算

采用有限元法进行计算，将复杂的结构形状进行离散，分成诸多小单元，单元间以节点相连，考虑节点间的平衡条件，从而得出整体结构的方程式，求出节点位移、形变及应力。划分的单元、形状可变，尽可能地符合实体结构，以便得出的数据能反映真实情况。

有限元程序能计算出结构应力应变场的详细分布情况，以精确计算作为设计的参考数据，得出何处加强、何处削弱，以合理的结构形式，充分利用材料。既达到台面的强度、刚度，同时又减轻了台面结构质量，节约了材料。实现设计有据可依，避免盲目性。

4    问题提出

通常，以固有频率作为衡量台面重量及形变的指标。固有頻率、刚度及质量关系表达式为：

式中，f为结构的固有频率，K为刚度，m为质量。由此表达式可得出：K大且m较小时，结构固有频率越高。因此，在满足结构形变的前提下，要提升台面的可适应性，需尽量减少台面质量。

5    台面结构说明

研究分析的台面为存有8个异形通孔的钢制圆盘。台面的上表面存有若干螺纹孔，内圈沉孔用于活塞杆连接，中心较大圆孔用于安置位移传感器。台面主要参数如下：材质为钢;密度为7 850 kg/m3;质量为76 kg;厚度为81 mm;弹性模量E为2.0 Gpa;泊松比为0.30。

6    计算结果与分析

6.1  计算结果

通过建模和相关计算，可得知台面的固有频率。参数如表1所示。台面有限元分析结论如下，模态1：755.5;模态2：755.63;模态3：1 171.3;模态4：1 432.7;模态5：1 433.1;模态6：1 899.6。

通过计算可知：台面的固有频率为755.63 Hz。在保持一阶鼓励有频率不降低的前提下，可采用改变台面结构，达到减少台面重量的目的。

6.2  台面重量减少后的有限元分析

结果表明：台面的表面类似于薄板，底部舍友8个加强筋，呈辐射状，继续保留安装螺钉及孔（沉孔、通孔）。

减轻后的台面有限元分析结论如表2所示，模态1：782.63;模态2：783.12;模态3：943.61;模态4：950.20;模态5：951.16;模态6：1 220.1。台面质量减轻后，一阶固有频率为782.63 Hz，台面质量降至47.29 kg，减重幅值达38.5%。

6.3  进一步提升台面一阶固有频率

提高台面一阶固有频率，不但要改良台面结构形式，而且需要刚度更好的材料。譬如：铝、镁、铝镁合金，物理特性如表3所示。材料比密度大，说明可以设计出质量轻而刚度大的台面。

结构表明：台面的表面可通过加设薄板，适度加大底部加强筋数目，并适度提高台面的高度，保留中间通孔[4]。计算结论如表4所示，材料使用铝合金，质量为52 kg。

通过数据分析得知，进一步改进后台面的固有频率达到2 015.6 Hz，较未改之前大幅度提升，并且质量也有所减轻。

7    结语

通过有关计算，得出提台面提高固有频率的方法有以下几点：（1）选择大块薄板增设加强筋，筋板的高度起到提高台面固有频率的作用。（2）尽量避免台面上开孔，尤其是通孔。（3）选择铝镁等刚度大的材料作为台面的制造材料。

[参考文献]

[1]孙俊磊，高英杰，管晴晴.高频电液振动台的模型参考自适应控制的研究[C].北京：第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议，2008.

[2]郝岩研，窦雪川，杨志鹏，等.地基对电液振动台性能的影响分析[J].兵器装备工程学报，2017（2）：143-147.

[3]万凯，王萍，朱冬云.电液振动台控制系统的现状与发展[J].仪器仪表用户，2012（4）：1-5.

[4]胡志强.高频大负载电液振动台的设计理论及实践[J].航空精密机械工程，1984（3）：50-58.